Einfluss lastinduzierter Temperaturfelder auf das Ermüdungsverhalten von UHPC bei Druckschwellbelastung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Silke Scheerer; Dr.-Ing. Ngoc Linh Tran
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353981739

Neueste Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von feinkörnigem (ultra-)hochfestem Beton unter hochfrequenter Druckbeanspruchung zeigen, dass in deren Folge entstehende Temperaturfelder einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf den Schädigungsprozess sowie die Ermüdungsfestigkeit von UHPC haben. Als Ursache wird das im Vergleich zu Normalbeton deutlich dichtere Gefüge vermutet, woraus bei zyklischer Einwirkung eine stärkere innere Reibung im Betongefüge mit entsprechender Erwärmung des Materials resultiert. Als maßgebende Einflussgrößen für diese Erwärmung werden bisher Betonzusammensetzung, Lastfrequenz und Lastregime (Unter- und Oberspannung) sowie die Geometrie der Betonprobe angesehen. Systematische experimentelle und numerische Untersuchungen zur Auswirkung lastinduzierter Temperaturfelder auf die Degradation des Betonmaterials bei Ermüdungsbeanspruchung stehen insbesondere für UHPC noch aus und sollen mit dem vorliegenden Projektantrag durchgeführt werden.Seitens der Werkstoffmodellierung besteht ein Mangel an zutreffenden Materialmodellen für Beton aufgrund des komplexen mechanischen Verhaltens von kohäsivem Reibungsmaterial. Vor allem können lastinduzierte Temperaturbeanspruchungen und deren Auswirkungen auf den Schädigungsprozess sowie die Ermüdungsfestigkeit nicht abgebildet werden. Zur wirklichkeitsnahen Erfassung der vielfältigen mechanischen Phänomene weist das auf der Thermodynamik basierende Microplane-Konzept von Bazant das größte Potential auf. Für die numerischen Untersuchungen wird daher dieser Ansatz als Grundlage für die Entwicklung eines neuen Materialmodells zur Beschreibung des Ermüdungsverhaltens von UHPC bei hochfrequenter Druckbeanspruchung genutzt. Experimentell untersucht wird v. a. der Einfluss der Erwärmung auf den Degradationsprozess im UHPC-Gefüge. Statische Kennwerte dienen der Kalibrierung des Materialmodells für das grundlegende UHPC-Tragverhalten. Dazu werden Standardwerte, mehraxiale Kennwerte sowie die Wärmeleitfähigkeit bestimmt. In anschließenden Tests werden die Auswirkungen der zyklischen Belastung auf Dehnungen, Rissbildung, das Betongefüge sowie die entstehenden Temperaturen im Betonkörper untersucht. Variiert werden Betonzusammensetzung, Probengröße und -alter, Lastfrequenz und -regime sowie die Prüfmaschine. Die Messwerte inkl. Ultraschall und ESEM-Aufnahmen ermöglichen die Analyse der Schädigungsentwicklung und die Ableitung entsprechender Modellparameter für das neue Materialmodell. Da Experimente wegen des großen Aufwandes nur ausgewählte Parameterkombinationen abdecken können, werden sie durch numerische Simulationen in Form von umfangreichen Studien ergänzt. Ergebnisse sind die Determinierung der Bedeutung unterschiedlicher Einflussgrößen auf die Ermüdungsfestigkeit von UHPC, ein neues Materialmodell zur Erfassung dieser Einflussfaktoren sowie ein zugehöriges Materialmodul zur Implementierung in eine Standardsoftware zur numerischen Modellierung des Ermüdungsverhaltens von UHPC-Bauteilen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab